La habitabilidad de Titan y su oceano

La luna más grande de Saturno, Titán, es un semillero de moléculas orgánicas, que alberga una sopa de hidrocarburos complejos similar a la que se cree que existía hace más de 4000 millones de años en la Tierra primordial. La superficie de Titán, sin embargo, está en una congelación profunda a –180 ºC. La vida tal como la conocemos no puede existir en su superficie.

La profundidad subterránea, sin embargo, es un asunto diferente. Las mediciones de gravedad realizadas durante los vuelos por la nave espacial Cassini de la NASA revelaron que Titán contiene un océano debajo de su caparazón de hielo, y dentro de este océano, las condiciones son potencialmente adecuadas para la vida.

Un equipo dirigido por investigadores de la NASA está tratando de comprender mejor el potencial de vida en el océano de Titán y su posible relación con las moléculas orgánicas en la atmósfera y superficie. La rica diversidad de moléculas orgánicas de Titán es un producto de la luz ultravioleta del Sol que inicia reacciones químicas con los gases dominantes en la atmósfera: hidrógeno, metano y nitrógeno. Los hidrocarburos complejos resultantes podrían ser los componentes básicos de la vida, o proporcionar nutrientes químicos para la vida. Y dentro de su océano, Titán alberga un hábitat potencial para esa vida.

Los 4 objetivos clave son:

1.Determinar cómo se transportan estas moléculas orgánicas entre la atmósfera, la superficie y el océano.
2. Qué procesos ocurrirían dentro del océano para hacerlo habitable.
3. Qué bio firmas produciría la vida del océano.
4. Cómo se transportarían esas bio firmas a la superficie, donde podrían detectarse.

Planificación de proyectos

El proyecto, que durará 5 años, hasta abril de 2023, gira en torno a explicar como las moléculas biológicas y las bio firmas atraviesan la atmósfera y la capa de hielo que rodea el océano.

Se intentará descubrir el potencial camino de las moléculas orgánicas desde la parte superior de la atmósfera donde se construyen, a través de la corteza hacia el océano. Y si hay biología allí, cómo esos compuestos orgánicos regresan a la superficie.

Objetivo 1: Transporte

Los primeros resultados científicos del proyecto provienen del equipo que estudia el contenido químico de la atmósfera de Titán. Saber exactamente qué especies moleculares se encuentran en la atmósfera permite a los investigadores construir un modelo fotoquímico integral que sienta las bases para comprender qué sustancias orgánicas pueden llegar a la superficie y potencialmente ingresar al océano.

El primer paso es determinar el contenido químico de la atmósfera para comprender qué sustancias orgánicas pueden llegar a la superficie y potencialmente ingresar al océano.

Gran parte del conocimiento de la atmósfera de Titán proviene de la nave espacial Cassini, específicamente del instrumento espectrómetro infrarrojo CIRS. Se han detectado varias moléculas de cianuro, CH3, C2H3CN y C2H5CN, que son moléculas clave de nitrógeno en la atmósfera de Titan. Mientras tanto, hay muchas más especies moleculares que han sido detectadas, como variaciones espaciales en trazas de gases orgánicos creados a través de la ruptura de metano y nitrógeno molecular por la luz solar ultravioleta. A medida que estos gases traza se desplazan a través de la atmósfera hacia la superficie, pueden reaccionar con otras moléculas orgánicas para formar compuestos orgánicos cada vez más complejos.

Cassini observó a Titán durante medio año de Saturno, desde el invierno al verano del hemisferio norte. Ahora se analizará cómo cambia la abundancia de moléculas orgánicas durante el resto del año de Saturno y Titán. El análisis de los datos de Cassini ha encontrado variaciones estacionales en los hidrocarburos C3Hx como el propano y el propino en la estratosfera de Titán.

Las investigaciones restantes del objetivo 1 implican comprender cómo se transportan las moléculas a través de la superficie después de que han precipitado fuera de la atmósfera. El siguiente paso es comprender cómo se modifican los compuestos orgánicos en la superficie, y luego cómo se mueven de la superficie al océano.

Esta última investigación ha abierto una posibilidad sorprendente, que propone que la atmósfera de nitrógeno se habría originado por moléculas orgánicas atrapadas dentro de Titán cuando este se formó y el subsiguiente calentamiento de estos gases liberó el nitrógeno que se filtró hasta la superficie. Esto significa que podría haber compuestos orgánicos dentro de Titán que podrían ingresar al océano desde abajo, por lo que incluso si los elementos orgánicos no pueden llegar al océano desde la superficie, el océano aún podría contener los bloques básicos de la vida.

Estas sustancias orgánicas pueden filtrarse a través del crio volcanismo, creando un posible origen también para algunas de las sustancias orgánicas en la superficie de Titán.

Objetivo 2: Habitabilidad

Si existen vías para que los compuestos orgánicos pasen a través de la capa de hielo desde la superficie hasta el océano debajo, entonces el siguiente paso es determinar si el océano, o cualquier parte del hielo en el trayecto hacia el océano, es potencialmente habitable. Aquí es donde entran en juego los biólogos del equipo que estudian organismos tolerantes al frío y a alta presión.

Antes de que se pueda hacer eso, se necesita saber más sobre el océano. Aunque Cassini confirmó que el océano existe mediante mediciones de gravedad, desconocemos su composición exacta, su densidad, su perfil térmico y la estructura general de la corteza helada en la parte superior.

Para comprender mejor el océano y su potencial habitabilidad, los investigadores del equipo comienzan con varias composiciones posibles que razonablemente podrían existir, y trabajan desarrollando modelos teóricos.

Aunque puede ser imposible explorar directamente el subsuelo profundo o el océano de Titán, el equipo de investigación tiene la intención de utilizar tanto el modelado teórico como los experimentos de laboratorio para simular las posibles condiciones, para comprender mejor la interfaz entre la capa de hielo y el océano, y entre el océano y el núcleo rocoso, y el flujo de elementos oxidantes y reductores en estas interfaces que podrían soportar microbios.

Objetivo 3: Vida

Para que la vida pueda existir en o cerca del océano de Titán, debe haber una fuente de energía química para metabolizar. Sobre la base del trabajo realizado en los Objetivos 1 y 2 en relación con el material orgánico que llega al océano y cómo es el medio ambiente del océano, el equipo podrá construir modelos teóricos de cuánta energía está disponible en el océano, así como posibles metabolismos que podrían existir en esas condiciones, para medir la probabilidad de que la vida pudiera sobrevivir allí.

Asumiendo que el océano fuera habitable, con fuentes de energía química y un suministro saludable de materia orgánica, el ambiente de alta presión y baja temperatura puede limitar la variedad de formas de vida que podrían existir allí. Sin embargo, un organismo terrestre que el equipo está considerando como un ejemplo adecuado es el Pelobacter acetylenicus, que puede sobrevivir con acetileno como su única fuente de energía metabólica y carbono.

Se llevarán a cabo experimentos de laboratorio, colocando microbios como el Pelobacter acetylenicus en entornos simulados descritos por el modelo teórico antes mencionado para ver si los microbios pueden prosperar en ellos, para aprender cómo se adaptan para sobrevivir y qué nuevos tipos de biomoléculas podrían resultar de estas adaptaciones. Estas biomoléculas pueden dejar atrás biofirmas, huellas moleculares de la vida.

Aún cuando sea posible la existencia de vida en el océano de Titán, también debemos ser capaces de detectar esa vida a través de biofirmas. Comprender qué biomarcadores podría dejar la vida es, por lo tanto, la segunda parte del objetivo 3, y se producirá una base de datos de biofirmas potenciales, incluidos isótopos de carbono, nitrógeno y oxígeno, así como estructuras biológicas como los lípidos en las membranas celulares.

Objetivo 4: Detección

Por supuesto, si las firmas biológicas permanecen en el océano, serán imposibles de detectar desde la órbita o en la superficie. Por lo tanto, el objetivo final es buscar los medios por los cuales esas biofirmas se puedan transportar a la superficie, lo contrario de la parte del Objetivo 1 que explora las formas en que los orgánicos pueden llegar al océano desde la superficie.

Es probable que el principal medio de transporte sea el hielo convectivo (es decir, más cálido, fangoso) que se eleva hacia arriba. O tal vez el criovolcanismo.

El metano de la atmósfera es permanentemente destruido por la luz ultravioleta, por lo que tiene que haber una reposición.

Aunque todavía no se ha detectado un criovolcanismo activo en Titán, se han identificado varias características en la superficie como potencialmente criovolcánicas. Se están estudiando formas teóricas en que el criovolcanismo puede transportar el material.

El transporte a la superficie también podría crear entornos habitables en el camino. Cuando hablamos del subsuelo profundo, no solo nos referimos al océano, sino a reservorios que también podrían existir en cavidades a lo largo de los caminos en que el material orgánico entra y sale de la capa de hielo. En particular, entre 7 y 30 kilómetros debajo de la superficie, en el límite entre el hielo rígido y quebradizo y el hielo más dúctil y más blando, donde las temperaturas y presiones serían algo similares a 2 o 3 kilómetros debajo de la Antártida, podría haber pequeños espacios entre los granos de la capa de hielo donde los microbios como el Pelobacter acetylenicus podrían prosperar. Estar más cerca de la superficie que la capa de hielo también podría significar que los biomarcadores resultantes de estos focos de vida subterránea podrían alcanzar la superficie con mayor facilidad.

También se plantea la cuestión de cómo las biofirmas podrían modificarse químicamente a medida que se elevan a través de las vías en la capa de hielo, encontrando diferentes entornos (agua líquida, hielo fangoso y hielo sólido) que luego impactarían en lo que podríamos esperar detectar en el superficie. Finalmente, una vez que lleguen a la superficie, ¿cómo detectarán estos biomarcadores las futuras misiones a Titán? El objetivo final de la investigación es pintar una imagen de una biosfera potencial en Titán, para que los científicos sepan qué buscar y como diseñar los instrumentos adecuados para detectar, cuando regresemos a Titán.

Este es el gran objetivo, tratar de evaluar a Titán como un sistema potencialmente habitable, creando una lista de biomarcadores potenciales e intentar indicar dónde en la superficie podría ser un buen lugar para buscarlos.

https://nai.nasa.gov/articles/2019/5/9/the-habitability-of-titan-and-its-ocean/